擠壓工藝與模具設計

1、目錄1、 擠壓相關知識及發(fā)展狀況.22、 總設計過程概論.53、 實心型材模設計.74、 總結與體會.191.1 擠壓加工方法擠壓是有色金屬、鋼鐵材料生產與零件成型加工的主要方法之一，也是各種復合材料、粉末材料等先進材料制備與加工的重要方法。從大尺寸金屬鑄錠的熱擠壓開坯、大型管棒型材的熱擠壓加工至小型精密零件的冷擠壓成型，從粉末、顆粒料為原料的復合材料直接固化成型到金屬間化合物、超導材料等難加工材料，現代擠壓技術得以廣泛的應用。擠壓加工的方法主要有正擠壓，反擠壓，側向擠壓，玻璃潤滑擠壓，靜液擠壓，連續(xù)擠壓。擠壓加工特點是處于強烈的三向壓應力狀態(tài)，這有利于提高金屬的塑性變形能力，提高制品的質量，

2、改善制品內部微觀組織和性能。除此以外，擠壓加工還具有應用范圍廣，生產靈活性大，工藝流程簡單和設備投資少的特點。應用擠壓加工工藝最多的材料是低熔點的有色合金，如鋁及鋁合金。1.2 鋁加工行業(yè)的分布中國的鋁加工企業(yè)主要集中于沿海(廣東、福建、浙江、上海、江蘇、山東、河北、天津、北京、遼寧)地區(qū)，即珠江三角洲(廣州一深圳為中心的經濟圈)、長江三角洲(上海為中心的經濟圈)、環(huán)渤海灣地區(qū)(京津經濟圈)所占比例較大，許多鋁加工企業(yè)都云集于此三大經濟圈。在珠三角地區(qū)，主要集中在佛山地區(qū)，其中大瀝更是全國，甚至世界地區(qū)鋁加工業(yè)的佼佼者。1.3鋁及鋁合金的特點與應用鋁及鋁合金具有一系列特性，在金屬材料的應用中僅

3、次于鋼材而居第二位。目前全世界鋁材的消費量在1800萬噸以上，其中用于交通運輸（包括鐵道車輛、汽車、摩托車、自行車、汽艇、快艇、飛機等）的鋁材約占27%，用于建筑裝修的鋁材約23%，用于包裝工業(yè)的鋁材約占20%。隨著中國經濟建設的高速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，中國的建筑行業(yè)發(fā)展迅速，包括鋁型材在內的建筑裝飾材料不斷增加。鋁型材的應用已經擴展到了國民經濟的各個領域和人民生活的各個層面。根據鋁合金的成分和生產工藝特點,通常分為變形鋁合金與鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金也叫熟鋁合金，根據據其成分和性能特點又分為防銹鋁，硬鋁，超硬鋁，鍛鋁和特殊鋁等五種。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學性能：易加工、耐

4、久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類，各種類均有各自的使用范圍，并有各自的代號，以供使用者選用。 鋁合金型材具有強度高、重量輕、穩(wěn)定性強、耐腐蝕性強、可塑性好、變形量小、無污染、無毒、防火性強，使用壽命長（可達50100年），回收性好，可回爐重煉。1.4擠壓工模具的材料常用擠壓工具鋼化學成分鋼號(C)/%(Si)/%(Mn)/%(Cr)/%(Mo)/%(W)/%(V)/%5CrMnMo0.50.60.250.61.21.60.60.90.150.35CrNiMo0.50.60.40.50.80.50.80.150.33Cr2W8V0.30.40.40.

5、42.22.77.59.00.20.54Cr5MoSiV10.320.420.81.20.44.55.51.01.50.81.1本設計選用模具材料為4Cr5MoSiV1，又稱H13鋼。鋼中碳化物類型有、。釩在鋼中起回火時二次硬化作用；Cr、Mo、W、V能提高鋼抗回火軟化能力，保持高溫下的強度、韌度；硅提高鋼的回火穩(wěn)定性和抗熱疲勞能力。鉻和硅還能提高抗氧化和抗燒蝕性。 常用擠壓工具鋼及其機械性能：鋼號試驗溫度T/MPa/MPa/%/%HB熱處理工藝5CrMnMo300400500600115010107804309908606904104761868411.011.117.526.7351311

6、302235850空淬，600回火3Cr2W8V300400450500600-1491152014301280-137313631304-15-5.6-8.3-4294294053253251100在油中淬火，550回火4Cr5MoSiV1400450500550600136013001200105082512301135102585571049525658676791210-1050油淬，625回火在油中兩小時二、總設計過程概論2.1 擠壓工藝流程金屬制品是經若干個工序制作出來的，每個工序按一定順序連接起來，就形成了工藝。工藝要在一定條件下完成，有特定的工藝參數。擠壓工藝流程：鑄錠加熱擠壓

7、切壓余淬火冷卻切頭尾 切定尺 時效表面處理包裝入庫2.2擠壓工藝及工藝參數條件的確定應考慮擠壓溫度、擠壓速度、潤滑、模具（種類形狀、形狀等）、切壓余、切頭尾、淬火、冷卻、等多方面的因素，合理地選擇工藝或參數。1）鑄錠的加熱溫度3003鋁的最高允許加熱溫度為550，下限溫度為320，為了保證制品的組織，性能，表面質量，為了降低變形抗力，擠壓時錠坯的加熱溫度不宜過高，應盡量降低擠壓溫度。一般取490530。2）擠壓筒預熱模具的成分多為合金鋼，由于導熱性差，為避免產生熱應力，擠壓前擠壓筒要預熱，為保證擠壓制品的質量，并且具有良好的擠壓效應，擠壓筒溫度可取400450。可采用通電自行預熱。3）模子預熱

8、避免急熱，延長模具壽命，應對模具進行預熱。4）擠壓溫度熱擠壓時，加熱溫度一般是合金熔點絕對溫度的0.750.95倍，擠壓過程中溫度最好控制在500左右。6）擠壓速度考慮金屬與合金的可擠壓性，制品質量要求及設備的能力限制，本設計的擠壓速度取，。7）工模具的潤滑因本設計采用熱擠壓，故不采用潤滑。8）模具模具應具有足夠的耐高溫疲勞強度和硬度，較高的耐回火性及耐熱性，足夠的韌性，低的熱膨脹系數和良好的導熱性，可加工性，及經濟性，本設計采用4Cr5MoSiV1作為模具的材料，熱處理的硬度為HRC4852。9）切壓余本設計視擠壓設備而定，一般2030mm，要控制質量，切去縮尾等缺陷。10）淬火本工藝過程中

9、，制品擠出后可通過設置風扇對制品進行吹風來達到風淬（固溶強化）的目的，或采用噴水霧的方法。11）冷卻直接露置在空氣中冷卻，達到自然時效的目的。12）切頭尾一般擠壓制品的頭部和尾部都存在缺陷，為了不影響制品的性能，需要進行切頭尾的工作。切頭尾的量可以是300500mm或5001000mm，本次設計頭尾各切300mm。13）切定尺 本次設計取每根制品6m長作為切定尺的標準。14）時效 時效處理可以分為兩種：自然時效和人工時效。自然時效即讓擠壓制品在空氣中停放；人工時效對3xxx系鋁合金可在180240下保溫68h。15）表面處理為了提高制品的耐蝕性和抗疲勞性等，可以對其進行表面處理。表面處理一般有

10、：陽極氧化、著色、噴粉、噴涂、電泳、拋光等。16）包裝入庫 將鋁合金成品進行包裝入庫。 三、實心型材模設計3.1所要設計的實心型材制品圖1 v型材截面（1）已知：要求本制品的形狀和尺寸及公差如下 牌號XC311-5（v型） 制品的截面積 制品材料為3003，制品擠一米的重量?？淄饨訄A直徑(2)現有設備表6設備噸位500T800T1630T擠壓筒直經(mm)95125187擠壓截面積(mm)70851226627451錠坯尺寸90270/320120400/450178540/600/660冷床長(m)263244填充系數K1.1141.0851.104壓余厚(mm)202530最大擠壓比97.

11、48273.6加工范圍最大外接圓直徑 (mm)6595147擠一根最小制品斷面積()721503723.2選坯和選設備選擇擠壓筒直徑D0是一個最核心的問題，有以下的選擇原則：1）保證產品表面質量原則（為?？拙嗤矁缺砻娴木嚯x，為經驗數據，可取15、20、30）2）保證擠壓模強度的原則3）保證產品內在質量的原則4）經濟上的優(yōu)化原則生產成本最低；成材率最大；產量最高可用500T，按成才率最高的原則，進一步優(yōu)化，計算如下表所示：序號D0 (mm)Dd (mm)Ld(mm)單重Wd(Kg)填充系數K填充后長度/mm壓余厚hy(mm)切壓余后的有效長度 /mm擠壓比制品長度L制(m)切頭尾后制品長度(m)

12、成品 數nx6(m)成品重 (kg)成材率W制/Wd()195902704.671.1142422022262.4813.8713.27263.8281.8295903205.531.1142872026762.4816.6816.68263.8269.1最后選擇成才率最高的81.8方案1即：選擇500T的擠壓機設備，擠壓筒內徑D0=95mm錠坯尺寸為：DdLd=90270mm =62.48 3.3擠壓力的計算根據擠壓力經驗系數公式，P擠壓力, ND擠壓筒內直徑，mmd制品的當量直徑，mm；（）材料在擠壓溫度下的變形抗力，MPa；查表3，并由外推法得出500時的變形抗力為10MPa。所以d=8

13、.96mmP= =N 換算成噸位：約266TP=266T額定噸位500T，設備選擇符合要求，即理論技術可行 3.4實心型材模具體結構設計模組的結構如下圖圖2 模組的結構1.模子 2.模墊 3.前環(huán) 4.后環(huán) 5.保護墊板 6.前機架 7.模座8.模套 9.剪刀 10.擠壓筒對于不同噸位的擠壓機，下圖中的主要結構尺寸都是配套設置的，可以從有關資料中查得。模組的主要結構尺寸如圖3模組尺寸如下表表7模組尺寸設備噸位500T800T1630T12H160180190210250240310350340H1203030H2809090100110150H3506050606080擠壓模具的尺寸如下表表8

14、擠壓模具的尺寸設備噸位500T800T1630Td1/d2135/1452025165/1752530250/2603040h112121312133.5 實心模尺寸數據設計（1）選坯和選擇設備根據前面的計算選500T擠壓機擠壓筒內直徑=95 錠坯尺寸：DdLd=90320mm擠壓比=62.48（2）模組及模子尺寸外形的計算圖3模組主要結構尺寸標注模組主要結構尺寸確定根據前面計算，從表7選取H=190mm =20mm =80mm =55mm 160mm 180mm模子外形尺寸的確定（如下圖4）圖4 模子外形尺寸依據表8的數據可以確定=135 =145 =12 =25（3）?？讕缀纬叽绲拇_定擠壓

15、比=62.48，故不需要多孔擠壓。模孔的外形尺寸（指型材的寬與高）AK：由公式式中：型材的名義尺寸，mm裕量系數，見金屬塑性加工學，冶金工業(yè)出版社，P67表51鍛鋁取0.0070.010，本設計取0.010型材外形尺寸的正偏差，mm型材的壁厚的尺寸SK由公式式中：型材壁厚的名義尺寸，mm型材壁厚的正偏差，mm裕量系數，對鋁合金取0.050.15，其中壁薄的取下限，厚壁取上限。本設計取0.1計算得出幾何尺寸:?？淄庑统叽纾?長度方向250.45mm尺寸 =(1+ ）+ =32（10.01）+0.45=12.57mm寬度方向130.45mm尺寸= (1+）+ =13（10.01）+0.45 =12

16、.57mm壁厚的尺寸 =2.40.10.2 =3.4型材的圓角及圓弧沒有偏差要求，故可按名義尺寸設計由于這種型材在擠壓的過程中有并口現象，角度取91制造偏差為 ，主要尺寸如下圖 圖5 ?？讕缀纬叽纾?）孔形在模子端面位置的確定由于本型材為等壁厚的型材，故型材的重心與模子的中心重合。?？字匦牡挠嬎悖缦聢D建立坐標系：圖6?？讕缀沃行拇_定設壓力中心為（， ）由于v型截面具有一條對稱軸，如圖6關于Y軸稱 所以=0 ，則壓力中心為（0， ）各邊中心坐標為：,各邊長分別為：=12mm，=3mm，=9mm，=9mm，=3mm,mm = =4.24mm 由于制品對稱，所以（，）=（0，4.24）（5）工作帶

17、長度的確定工作帶又稱定徑帶，是用以穩(wěn)定制品尺寸和保證制品質量的關鍵部分。由于是等壁厚型材，故定徑帶長度各處相等，一般可取23.5，生產實踐中對鋁合金常用38，本次設計取4模角工作帶與工作端面的連接都有一個尖棱角，擠壓過程中易于出現裂紋和壓禿、壓塌等現象從而會改變?？壮叽纾瑢е码y以保證擠壓制品的尺寸精度，因此，必須采用過渡圓角半徑r。（6）出口直徑模子的出口直徑一般應比工作帶直徑大35mm，以防止劃傷制品表面，本設計取4mm。工作帶與出口的過渡部分以圓角半徑等于45mm的圓弧連接，或做成2045的斜面。（7）入口圓角半徑入口圓角半徑r的作用是為了防止低塑性合金在擠壓時產生表面裂紋和減輕金屬在進入

18、工作帶時所產生的非接觸變形，也是為了減輕在高溫下擠壓時模子的入口棱角被壓頹而很快改變?？壮叽缬玫?，但擠壓鋁合金時不應有入口圓角，而要求保持銳利的角度，一般取r=0.20.5mm。（8）阻礙角由于1015，故不采用阻礙角3.6校核（1）設備能力的校核根據前面=266T500T,即擠壓力小于所選設備的噸位。所以符合要求。（2）模子強度的校核對于半空心型材,可以認為是一個懸臂梁突出的舌部，可按下述步驟校核其危險面I-I處的模子最小厚度。舌部尺寸如圖5所示。圖51）求單位擠壓力p=332.08MPa式中：p單位擠壓力，MPaP擠壓力，N擠壓筒斷面面積，2）舌部載荷=47819.5N 式中：Q作用在舌部的總載荷，N 舌部的面積， 、舌部的長寬